人工智能 (AI) 正在迅速發(fā)展，并滲透到我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，從?nèi)容生成到客服聊天機(jī)器人皆是如此。與此同時，數(shù)據(jù)處理量大幅激增，而數(shù)據(jù)處理很大程度上依賴于強(qiáng)大的計算基礎(chǔ)設(shè)施。此外，AI 模型在投入使用前，需要在先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)完成訓(xùn)練和推理。

在現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)中心內(nèi)，通常容納了成千上萬臺高性能服務(wù)器，它們的運(yùn)行和散熱都需要消耗大量電力。隨著 AI 的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的能源消耗也急劇膨脹，引發(fā)了人們關(guān)于 AI 技術(shù)革命對可持續(xù)性和環(huán)境影響的擔(dān)憂。

據(jù)國際能源署 (IEA) 估算，數(shù)據(jù)中心在 2024 年的用電占全球電力總需求的 1.5%，約 415 太瓦時 (TWh)。預(yù)計到 2030 年，數(shù)據(jù)中心的用電量將增長一倍以上，達(dá)到約 945 太瓦時，占比將達(dá)到約 3%。鑒于數(shù)據(jù)中心通常密集分布，可能對局部電網(wǎng)造成顯著負(fù)荷壓力。

塑造未來格局：調(diào)整數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)，適應(yīng) AI 發(fā)展趨勢

與搜索引擎等典型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相比，AI 的能耗通常要高出十倍左右。這主要是因?yàn)?AI 需要用到圖形處理單元 (GPU)，而每塊 GPU 的功耗可達(dá)數(shù)百瓦。模型訓(xùn)練階段尤其耗電，根據(jù) OpenAI 的數(shù)據(jù)，模型訓(xùn)練 GPT-4 需要 25,000 塊 NVIDIA A100 GPU，持續(xù) 3 個月，耗電量達(dá) 50 吉瓦時 (GWh)，成本約 1 億美元。

AI 的耗電量不僅未見放緩，反而每六個月就翻一番，整個行業(yè)的耗電量已堪比一個小型國家。面對如此龐大的用電規(guī)模，電能損耗問題日益凸顯。電力在輸配過程中，因電纜電阻導(dǎo)致的電能損耗高達(dá) 6%。從電網(wǎng)到 GPU 的供電路徑中，電能需經(jīng)歷四次以上的轉(zhuǎn)換，平均造成 12% 的損耗。

成千上萬臺服務(wù)器中，每臺服務(wù)器的功耗可達(dá) 40 千瓦 (kW)，因此需使用高功率總線將電能輸送至機(jī)架。為了降低電流，標(biāo)準(zhǔn)的 12 伏直流 (VDC) 總線已升級為 48 VDC。然而，為了滿足 AI 的巨大用電需求，可能需要采用更高電壓的 +/-400 VDC總線架構(gòu)。

圖 1：數(shù)據(jù)中心需要經(jīng)過多級電力轉(zhuǎn)換

功率半導(dǎo)體對于高效的電力轉(zhuǎn)換至關(guān)重要，有助于滿足 AI 處理器和 GPU 的用電需求。碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 正逐步取代硅材料，因?yàn)樗鼈兡軌蛑圃斐鼍o湊且節(jié)能的電源轉(zhuǎn)換器，從而顯著降低數(shù)據(jù)中心的總擁有成本 (TCO)。

創(chuàng)新方案助力提升能效和可持續(xù)性

從電網(wǎng)到 GPU 機(jī)架，數(shù)據(jù)中心的電力輸送需歷經(jīng)多個電力轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。在供電網(wǎng)絡(luò)的每個分支中，智能碳化硅 (SiC) 和硅 (Si) 電源解決方案都至關(guān)重要。電力首先經(jīng)過固態(tài)變壓器 (SST) 和自動轉(zhuǎn)換開關(guān) (ATS) 控制系統(tǒng)（由柴油發(fā)電機(jī)提供備用電源）。

接著，20kV 高壓交流線路轉(zhuǎn)換為三相 400V 交流電，然后接入不間斷電源 (UPS)。在此數(shù)據(jù)中心供電入口處，EliteSiC 分立器件與功率模塊可有效提升能效與功率密度。隨后，配電單元在機(jī)架層級將三相 400V 交流電轉(zhuǎn)換為單相 230V 交流電。

其余的電力轉(zhuǎn)換工作都會在 GPU 服務(wù)器所在的機(jī)架上完成。在電源供應(yīng)器 (PSU) 和電池備用單元中，SiC Cascode JFET和 PowerTrench T10 Si MOSFET的組合是高功率交流轉(zhuǎn)直流方案的理想選擇。其中，大電流 SiC Cascode JFET 對于下一代超大規(guī)模架構(gòu)中電源供應(yīng)器從 3 kW 升級到 5 kW 至關(guān)重要。

在電力傳輸過程中，安森美 (onsemi)的EliteSiC 650 V MOSFET和 T10 MOSFET 可將 230V 交流電壓先轉(zhuǎn)換為 48V 直流電壓，然后再轉(zhuǎn)換為 12V 直流電壓。此過程的關(guān)鍵在于良好的轉(zhuǎn)換效率，以保持 Open Rack V3 (ORV3) 規(guī)范所要求的 97.5% 峰值效率。高轉(zhuǎn)換效率可有效減少電能損耗，有助于降低運(yùn)營成本和散熱需求。

T10 Si MOSFET 和電源管理 IC 也用于將 48V 電壓轉(zhuǎn)換為中間總線轉(zhuǎn)換器 (IBC) 所需的 12V 電壓，為供電網(wǎng)絡(luò)中的 Vcore（CPU 核心電壓）分支供電。 此外，對于 400/800V 總線架構(gòu)，SiC JFET 和 SiC Combo JFET 可在 IBC 級之前為熱插拔/電子保險絲提供可靠的過電流保護(hù)。

AI 數(shù)據(jù)中心電源管理的未來趨勢

在 AI 數(shù)據(jù)中心內(nèi)，能效是最關(guān)鍵的電力參數(shù)。因此，必須在各個環(huán)節(jié)盡可能地降低電能損耗，其中散熱系統(tǒng)會消耗數(shù)據(jù)中心高達(dá) 50% 的電力，而另一半則被 IT 設(shè)備（如服務(wù)器、存儲系統(tǒng)和電力基礎(chǔ)設(shè)施）消耗。

安森美是 AI 數(shù)據(jù)中心解決方案的領(lǐng)軍企業(yè)，也是少數(shù)能夠滿足從電網(wǎng)到 GPU 整個供電網(wǎng)絡(luò)需求的供應(yīng)商之一。未來的發(fā)展將離不開先進(jìn)的寬禁帶技術(shù)，例如安森美的 EliteSiC和垂直 GaN，它們能夠在更高的頻率下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的電力轉(zhuǎn)換，具有更高的效率，支持更緊湊的設(shè)計，而且可在更高的溫度下可靠運(yùn)行，需要的散熱也更少，從而實(shí)現(xiàn)更緊湊的方案，同時降低運(yùn)營成本。